線接觸加工數控系統的研究

分析了線接觸加工的加工方法。此數控系統是基于WINDOWS的全軟件數控系統，包括多個軟件控制模塊，通過控制銑刀的有效走刀姿態，利用銑刀側刃進行一次走刀完成對整個可展直紋面的加工。此外該系統具有圖形自動編程功能，保證了機床加工過程的自動化。

    在傳統的銑削加工中對面的加工多采用點接觸加工方式，這種加工方法的刀位計算簡單但加工效率與加工精度都較低，因此近年來出現了線接觸銑削加工，線接觸加工是利用銑刀側刃與加工工件的輪廓表面以一條直線的方式接觸，線接觸加工因為增加了刀具與工件的切觸長度，是基于面的加工方法。當我們適當改變加工方法，就可以利用銑刀的側刃進行一次走刀完成對整個曲面的加工。這樣不但可以提高加工效率，還可以避免逼近誤差和非線性誤差，從而改善加工精度。這種加工方法適合于空間平面、圓柱面、圓錐面、柱面、錐面、適合于線接觸加工的函數曲面等可展直紋面。在國際標準化組織規定的數控代碼和各數控與機床生產廠商所擴展的數控代碼中，一般沒有面加工指令。因此到目前為止也不存在針對面加工的數控系統。

1 數控系統的總體結構

1.1 數控系統的硬件組成

    該數控系統是基于WINDOWS環境下的全軟件數控系統。因此其硬件部分主要是系統控制的輸出接口。另外由于WINDOWS操作系統是一個非實時性的操作系統，為解決線接觸加工數控系統的實時性，我們通過引入外部實時時鐘的方式來解決WINDOWS操作系統的實時性問題。數控系統的硬件結構圖如圖1所示。

    其中PC機的控制輸出是利用ISA總線同外部I/O接口連接向電機發送控制脈沖信號。I/O輸出邏輯單元與實時時鐘是利用CPLD可編程邏輯器件來實現的。

1.2 數控系統的軟件部分

    該線接觸加工數控系統的軟件主要包括兩大部分:線接觸加工機床控制部分和圖形自動編程系統。

1.2.1 線接觸加工機床控制部分

    該數控系統是WINDOWS環境下全軟件的數控系統，機床的控制全部采用軟件的方式來完成。

    （1）WINDOWS操作系統具有強大的功能和友好的人機界面，但它是一個非實時性的操作系統，利用WINDOWS系統中所提供的各種實時措施很難滿足數控系統中對強實時性的要求。在這里，我們利用硬件和軟件兩個方面來解決Windows平臺上的實時時鐘問題。硬件方面通過制作ISA接口卡，利用CPLD產生所需要的實時時鐘中斷信號，通過接口卡上的ISA總線傳給PC機，在軟件方面則通過編寫設備驅動程序響應該時鐘中斷。在這里我們采用VC++6.0+DDK+DriverStudio來開發ISA板卡的驅動程序。

    （2）本線接觸加工數控系統采用C++ Builder6.0編程工具來完成譯碼、預處理模塊、刀補模塊、插補模塊、速度控制、位置控制、等各部分功能。

    （3）數控系統對伺服系統和其他外設發送控制指令,必須對ISA的端口進行讀寫操作，這是數控系統實現其功能的根本所在。在DOS操作系統下可以直接完成這些操作，由于WINDOWS NT操作系統徹底屏蔽了用戶對I/O的操作，WINDOWS NT采用分層的I/O系統。用戶態與核心態之間有一系列的系統組件。主要的有I/O管理器、設備驅動程序、硬件抽象層（HAL）、注冊表數據庫等。圖2為I/O請求流程圖。

    在WIDNOWS 環境下需開發相應的I/O驅動程序才能完成I/O操作。通過驅動程序與應用程序的通信來實現對I/O的控制輸出。

    應用程序與WDM驅動程序的通信過程是：應用程序先用CreatFile函數打開設備，然后用Device IoControl和WDM進行通信，也可用ReadFile從WDM中讀數據或用WriteFile寫數據給WDM。當應用程序退出時用CloseHand關閉設備。

    驅動程序與應用程序的通信：驅動程序與應用程序的通信可以利用DeviceIoControl異步完成，也可用WIN32事件通知的方法，另外也可以通過創建一個命名的事件，供驅動程序和應用程序共同使用，但這種方法只適用于NT驅動程序與應用程序的通信。

1.2.2 線接觸加工圖形自動編程系統

    這一部分的存在主要是由線接觸加工的特點決定的，線接觸加工利用銑刀側刃進行一次走刀完成對整個空間可展直紋面的加工，是基于面的加工方式，對面加工的數控程序采用手動方式非常復雜，而我們在這里采用自動編程系統，利用特征圖形的方式輸入，最后利用一條數控代碼完成對可展直紋面以及一些特征曲線的加工。下面是關于線接觸加工圖形自動編程系統的主要組成部分以及各部分的實現方法：

    （1）零件的圖形輸入部分。這里將采用特征圖形的輸入方式，用基于面的數據結構存儲數據�？梢詫崿F一般二維圖形、空間平面和空間旋轉面、直紋面或其他三維曲面的圖形輸入。

    （2）圖形數據的獲取。采用特征區域法，用鼠標激活該圖形來尋找圖形的特征數據。根據輸入的特征圖形，獲取該特征圖形的數據信息，然后通過一定的數據格式進行保存，為以后的數據處理奠定基礎。

    （3）生成刀位文件。進行刀位軌跡計算時，首先進行刀具干涉處理，然后將被加工零件圖形根據切削工藝給定的切削深度等參數，用等距直線分別求其交點，從而確定刀具每一步的切入點和切出點；其它的關節點再依據特征圖形的數據點和工藝要求即可獲得。

    （4）數控代碼的生成。刀位補償運算后生成數控代碼，曲面加工數控代碼的定義是利用ISO代碼集中的預留部分以及擴充的G代碼。根據數控機床特征文件，將刀位數據文件逐條翻譯成可用于加工的數控代碼文件。執行后置處理命令時將自動按設計文件定義的內容，輸出所需要的數控代碼文件。

    （5）動態仿真部分。通過動態模擬走刀路線以及刀具在整個運行過程中的姿態，驗證是否符合所設定的標準和要求的走刀；在走刀過程中，檢測所獲取的數據的正確性。

2 結語

    應用線接觸加工方法，本文研究了線接觸加工數控系統，該系統通過控制銑刀的有效姿態，利用銑刀側刃進行一次連續的走刀就可以實現對整個可展直紋面的加工。這種加工方式的數控代碼簡單，同時可避免逼近誤差和非線性誤差，是一種新型高效的數控加工方法。該數控系統用于機床的加工控制，可以大大改善加工精度，提高加工效率。